基于FOGG模型的碼垛工作站造型設(shè)計研究

基金項目：本文系2024年上海教育委員會“人工智能促進(jìn)科研范式改革、賦能學(xué)科躍升計劃”項目“AI賦能航空裝備工業(yè)設(shè)計研究及應(yīng)用”（2024AI012）階段性研究成果。

碼垛工作站是一種用于自動化堆疊貨物的工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)，其主要功能是將生產(chǎn)線上的單件或多件物品（如箱體、袋裝物、桶裝物等）按預(yù)設(shè)規(guī)則高效、精準(zhǔn)地堆疊到托盤上，形成穩(wěn)定、整齊的貨垛，以便后續(xù)存儲、運(yùn)輸或裝卸。它由機(jī)械臂本體、車體、操作臺、示教器、自動輸送線裝置等部件組成。目前，碼垛工作站研究多集中于控制系統(tǒng)和運(yùn)動姿態(tài)[，對造型設(shè)計方面的研究較為匱乏，不能滿足用戶對碼垛作業(yè)的需求。

一、相關(guān)理論概述

造型設(shè)計是一種綜合性的設(shè)計過程，旨在協(xié)調(diào)產(chǎn)品功能實現(xiàn)、人機(jī)交互體驗與工業(yè)美感之間的關(guān)系。其關(guān)鍵在于通過對形態(tài)結(jié)構(gòu)與空間布局的合理規(guī)劃，提升設(shè)備在操作便捷性、安全性能及環(huán)境適應(yīng)方面的整體表現(xiàn)。

FOGG 模型[2由斯坦福大學(xué)學(xué)者福格（B.J．Fogg）提出，指出個體行為的發(fā)生取決于動機(jī)（Motivation）、能力（Ability）和促發(fā)（Prompt）三大要素的同時滿足。具體而言，當(dāng)用戶具有足夠的動機(jī)、具備完成行為的能力，并在適當(dāng)時機(jī)受到有效的促發(fā)，目標(biāo)行為才更容易發(fā)生。該模型在產(chǎn)品交互設(shè)計、用戶體驗優(yōu)化等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，為設(shè)計者提供了系統(tǒng)化的用戶行為干預(yù)思路。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[3]是一種將定性問題轉(zhuǎn)化為定量分析的多準(zhǔn)則決策方法。該方法通過構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型和判斷矩陣，能夠系統(tǒng)性地分析各因素間的相對重要性權(quán)重。AHP方法的主要優(yōu)勢在于其兼具理論嚴(yán)謹(jǐn)性與實踐靈活性，適用于復(fù)雜決策問題的結(jié)構(gòu)化分析。

二、基于Fogg行為模型的碼垛工作站造型設(shè)計框架

基于上文研究理論和方法，團(tuán)隊構(gòu)建了碼垛工作站造型設(shè)計流程模型4，如下圖1所示。

（一）碼垛工作站用戶需求研究

本研究通過觀察作業(yè)流程并進(jìn)行分析，結(jié)合對一線作業(yè)人員的深度訪談，系統(tǒng)采集其在操作過程中所面臨的用戶需求問題，為后續(xù)設(shè)計提供真實、可靠的用戶數(shù)據(jù)支持。

（二）基于FOGG模型處理用戶需求

團(tuán)隊以FOGG為模型對收集到的用戶需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，從動機(jī)激發(fā)、能力支持與促發(fā)機(jī)制三個維度出發(fā)，將用戶行為背后的心理與操作動因進(jìn)行歸納與拆解，進(jìn)而將其有效轉(zhuǎn)化為可操作的設(shè)計要素，為造型設(shè)計提供方向。

圖1碼垛工作站造型設(shè)計流程

表1各階段用戶行為及相關(guān)人體姿勢表

表2用戶訪談群體范圍

（三）基于AHP篩選設(shè)計要素

文章構(gòu)建碼垛工作站造型設(shè)計層次結(jié)構(gòu)模型，基于AHP對設(shè)計要素進(jìn)行量化評估。通過專家打分形成判斷矩陣，計算各要素的權(quán)重值與一致性指標(biāo)，從而科學(xué)地確定各設(shè)計要素的相對重要性，確保設(shè)計決策的客觀性與合理性。

（四）設(shè)計實踐

團(tuán)隊基于AHP權(quán)重分析結(jié)果，聚焦高權(quán)重設(shè)計要素，優(yōu)化造型方案設(shè)計。

三、基于FOGG行為模型的碼垛工作站造型設(shè)計

（一）碼垛工作站用戶需求研究

1.作業(yè)流程分析

團(tuán)隊通過用戶行為觀察分析碼垛工作站用戶作業(yè)流程將流程分為作業(yè)準(zhǔn)備、作業(yè)進(jìn)行、作業(yè)完成三個階段[，各階段用戶行為和相關(guān)人體姿勢如表1。

（1）作業(yè)準(zhǔn)備階段

作業(yè)人員先對碼垛工作站的整體設(shè)備進(jìn)行外觀檢查，確保無誤后打開側(cè)面通斷開關(guān)，切換到ON檔；長按示教器電源開關(guān)，啟動機(jī)器人。在示教器上點(diǎn)擊啟動按鈕，機(jī)器人進(jìn)行上電、上使能操作；激光雷達(dá)、雷達(dá)圖像等通過示教器顯示碼垛區(qū)域，再根據(jù)包裝箱的尺寸、重量、碼垛方式等要求，通過觸屏操作示教器，設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和操作參數(shù)。

圖2 用戶訪談

（2）作業(yè)進(jìn)行階段

包裝箱通過輸送線依次輸送至碼垛區(qū)域。機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)或傳感器識別包裝箱的位置和姿態(tài)，利用抓手準(zhǔn)確抓取包裝箱。最后，按照預(yù)設(shè)的碼垛方式，將包裝箱放置在托盤上，碼垛期間通過車體上的實體按鍵對工作站進(jìn)行操作，不斷重復(fù)抓取和放置動作，直到完成一條產(chǎn)線的碼垛任務(wù)。當(dāng)碼垛工作站發(fā)生意外情況，迅速按壓急停按鈕，切斷電源，停止一切操作。

（3）作業(yè)完成階段

碼垛工作站開關(guān)切換到OFF檔，機(jī)器人去電去使能。如需更換產(chǎn)線，作業(yè)人員操作液壓叉車插起工作站底座移動。

綜上，作業(yè)準(zhǔn)備階段，作業(yè)人員需頻繁操作示教器，易導(dǎo)致手臂及手掌處疲勞感加重；作業(yè)進(jìn)行階段，作業(yè)人員觀察示教器，使用實體按鍵不方便，存在錯誤操作的可能作業(yè)完成階段，更換產(chǎn)線需額外叉車設(shè)備，增加環(huán)節(jié)時間和人力成本。

2.用戶訪談

首先，將本次用戶訪談的目標(biāo)群體設(shè)定為碼垛工作站的作業(yè)人員、機(jī)器人行業(yè)專家、工程師以及相關(guān)專業(yè)研究生等，如表2。文章深入分析碼垛工作站作業(yè)人員的特征、行為模式、作業(yè)習(xí)慣以及他們對工作站造型設(shè)計的期望和需求，并歸納調(diào)研結(jié)果。

通過用戶訪談，如圖2所示，碼垛工作站存在的主要問題可以分為以下四點(diǎn)：

（1）工作站造型笨重，邊角尖銳，無法體現(xiàn)產(chǎn)品美感；車體與機(jī)械臂關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，體現(xiàn)不出一體感。

表3用戶需求總結(jié)

表4工作站用戶需求轉(zhuǎn)化

（2）機(jī)械臂距離作業(yè)人員較近，加大作業(yè)人員心理壓迫感。（3）車體操作臺高度過高，實體按鍵使用不舒適。（4）示教器操作步驟復(fù)雜，耗時長。

3.用戶需求總結(jié)

通過作業(yè)流程分析與用戶訪談的調(diào)研方式，提煉出碼垛工作站在造型設(shè)計中的用戶需求，如表3。

（二）基于FOGG行為模型處理用戶需求

碼垛工作站因安全性原則，在作業(yè)中多采用有線連接方式，對人機(jī)的交互性提出一定要求。工作站的作業(yè)人員以制造業(yè)群體居多，需提前經(jīng)受上崗培訓(xùn)，因此急需對該用戶群體的需求展開研究。文章基于FOGG模型，將作業(yè)流程分析及用戶訪談提取的碼垛工作站作業(yè)人員需求進(jìn)行歸納與轉(zhuǎn)化[，如表4。

表5碼垛工作站造型設(shè)計要素框架

（三）基于AHP篩選設(shè)計要素

1.碼垛工作站造型設(shè)計要素框架

通過對碼垛工作站作業(yè)人員操作需求的轉(zhuǎn)化，依據(jù)FOGG行為模型中的能力、動機(jī)和觸發(fā)點(diǎn)三大影響因素，構(gòu)建碼垛工作站造型設(shè)計要素三級評價指標(biāo)框架[8，如表5。

首先，團(tuán)隊將一級指標(biāo)劃分為心理需求、識別度需求和操作方式需求三大類，其中識別度和操作方式屬于生理需求范疇。其次，以一級指標(biāo)作為基礎(chǔ)框架，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)研究成果和實際作業(yè)場景特征，根據(jù)上文所提取的設(shè)計要素構(gòu)建二級指標(biāo)體系，最終得出14項二級評價指標(biāo)，以確保評估的全面性和準(zhǔn)確性。團(tuán)隊再基于該設(shè)計要素框架，運(yùn)用AHP篩選設(shè)計要素并對其進(jìn)行優(yōu)先級排序，以確定關(guān)鍵設(shè)計要素，為后續(xù)方案設(shè)計提供決策依據(jù)。

2.構(gòu)建判斷矩陣并計算相對權(quán)重

為保證數(shù)據(jù)的有效性，團(tuán)隊邀請12名行業(yè)專家對各級指標(biāo)進(jìn)行評價，專家涵蓋碼垛工作站作業(yè)人員、設(shè)計師及工程師。

表6設(shè)計要素相對權(quán)重及重要性排序表

首先，專家需通過要素兩兩對比為各級指標(biāo)評價打分。而后采用幾何平均法整合12名專家的打分?jǐn)?shù)據(jù)，得出判斷矩陣 A 。再采用方根法對矩陣 A 進(jìn)行歸一化處理，最終得出權(quán)重向量 W_i°

為檢驗判斷矩陣A的一致性，文章引入 C_I 一致性驗證指標(biāo)，計算各判斷矩陣的最大特征根 λ_max ，以此驗證專家評價結(jié)果的一致性[10]。詳細(xì)計算過程參見式（1）—（3）。

3.設(shè)計要素重要性排序

碼垛工作站造型設(shè)計要素的相對權(quán)重 W^′_i 和重要性排序如表 6_°

經(jīng)AHP計算， A_l （心理需求）最大特征根為6.282，R_I 值為1.25?；跀?shù)值計算一致性比率 C_R=0.045 A₂ （識別度）最大特征根為3.094， R_I 值為0.525， C_R 值結(jié)果為0.09； A₃ （操作方式）最大特征值為5.147， R_I 值為1.11，C_R 值結(jié)果為0.033。三者 C_R 值皆小于0.1閾值，檢驗通過。

在一級指標(biāo)中， A₃ （操作方式）的權(quán)重最高，為0.6378，表明用戶在使用碼垛工作站時最注重操作過程中的便捷性與可控性。與心理需求與識別度相比，此因素在用戶決策中占據(jù)主導(dǎo)地位，體現(xiàn)出操作行為在工業(yè)設(shè)備交互體驗中的核心地位。

在二級指標(biāo)中， A₃₂ 操作費(fèi)力（0.2536）、 A₃₃ 誤操作（0.1133）及 A₃₄ 操作效率低（0.1587）的權(quán)重排序相對較高，說明用戶普遍注重操作省力、高效以及不易出錯。這表明在后續(xù)造型優(yōu)化中，應(yīng)重點(diǎn)圍繞人體工學(xué)、操作流程簡化與功能區(qū)域清晰化展開，降低操作負(fù)荷，提升使用效率與安全性，從而更有效地響應(yīng)用戶的核心訴求。

四、設(shè)計實踐

根據(jù)上文中碼垛工作站造型設(shè)計評價指標(biāo)權(quán)重分析的結(jié)論，團(tuán)隊選出權(quán)重排名第一的 A₃₂ （操作費(fèi)力）作為本次創(chuàng)新方案的主題。此外，排名第2、3的 A₃₄ （操作效率低）、A₃₃ （誤操作）2個指標(biāo)權(quán)重較高，因而文章將圍繞上述三個指標(biāo)開展碼垛工作站創(chuàng)新方案設(shè)計。

A₃₂ （操作費(fèi)力）主要體現(xiàn)在操作臺高度的設(shè)計上，即考慮作業(yè)人員在站姿狀態(tài)下使肘部與操作臺盡量處于同一水平面，避免因操作臺過高或過低導(dǎo)致的抬肘和垂肘問題。根據(jù)人體尺寸百分位數(shù)據(jù)參考GB/T10000-2023《中國成年人人體尺寸》[12]，適當(dāng)調(diào)整操作臺高度，提高作業(yè)人員使用舒適度。

A₃₄ （操作效率低）主要體現(xiàn)在更換產(chǎn)線方式的設(shè)計上，目前市場主流碼垛工作站更換產(chǎn)線方式為液壓叉車叉起工作站底部，使其移動，過程中需增設(shè)液壓叉車以及操作叉車人員。通過增加碼垛工作站移動部件的方式，在車體設(shè)計金屬握把、底部增加轉(zhuǎn)向輪，使其在更換產(chǎn)線時無需額外叉車，減少生產(chǎn)成本，提高作業(yè)效率。

A₃₃ （誤操作）主要體現(xiàn)在實體按鍵的形態(tài)及顏色的設(shè)計上，實體按鍵作為碼垛工作站重要的一部分，需要根據(jù)功能分類設(shè)計出不同形狀的按鍵，如圓形（啟動／停止）、菱形 （急停），便于戴手套操作時通過觸覺快速識別。關(guān)鍵按鍵（如急停）采用凸點(diǎn)或波紋紋理，提升盲操準(zhǔn)確性。實體按鍵要傳達(dá)清晰的視覺或觸覺信息，以確保作業(yè)人員的操作能夠有條不紊地完成。根據(jù)分析結(jié)果提出設(shè)計方案如圖3所示。

在人機(jī)尺寸設(shè)計方面，為確保操作臺高度能夠適應(yīng)不同性別及體型差異下的大多數(shù)用戶群體，團(tuán)隊參考人體工程學(xué)中立姿肘高的人體測量數(shù)據(jù)。設(shè)計原則遵循I型產(chǎn)品尺寸的“雙限值”控制方法[13]，即在尺寸設(shè)計中同時設(shè)定上限與下限，以兼顧極端人群的使用舒適性與可達(dá)性。在操作過程中，應(yīng)使操作者肘部與操作臺臺面保持近似水平，避免因高度過高或過低影響操作效率與舒適性?；诖?，選取男性95百分位數(shù)與女性5百分位數(shù)[14]的立姿肘高數(shù)據(jù)作為設(shè)計尺寸的邊界條件，分別為 1121mm 與 895mm 。結(jié)合功能修正量 A_I 對尺寸進(jìn)行補(bǔ)償修正， A_I 包括著裝修正（ 38mm ）、放松狀態(tài)下眼高修正（ -10mm ）以及前臂與手腕自然活動幅度修正，綜合取值為 42mm 。依據(jù)人體工程學(xué)中最小功能尺寸[15]的表達(dá)式：

G_l≤H_l95+A_l G_I≥J_Is+A_I

圖3碼垛工作站造型設(shè)計方案

圖4造型設(shè)計三視圖

圖5操作臺實體按鍵功能及排布

其中： G_I 為操作臺高度的最小功能尺寸； H₁₉₅ 為男性肘高的95百分位數(shù)（ ?1121mm， ； J_IS 為女性肘高的5百分位數(shù)（ ?895mm） ； A_I 為功能修正量（ 70mm 。將數(shù)值代入公式計算，得出操作臺高度的合理區(qū)間為：965mm?G_I?1191mm 。綜合考慮用戶的泛用性與操作舒適度，最終選取該區(qū)間的中值 1078mm 作為碼垛工作站操作臺的設(shè)計高度，如圖4所示。這一設(shè)計有效兼顧不同使用人群的肘高差異，提升人機(jī)協(xié)調(diào)性與工作體驗。同時，團(tuán)隊將實體按鍵劃分出單獨(dú)區(qū)域，根據(jù)按鍵功能設(shè)計不同的按鍵顏色，如圖5所示，減少使用過程中的誤操作行為。

整體造型方面，以機(jī)械臂圓潤的造型以及紅、銀的配色為基礎(chǔ)，對車體進(jìn)行再設(shè)計，提高車體與機(jī)械臂的一體性，并在車體和機(jī)械臂增加企業(yè)標(biāo)識，加強(qiáng)產(chǎn)品辨識度。

在功能方面，通過增加一體化把手以及車體底部移動輪組的方式，以便換產(chǎn)線流程，提高效率，節(jié)約成本。此外，增加車體燈帶，以不同燈帶顏色顯示工作站運(yùn)行狀態(tài)。

五、結(jié)語

文章以FOGG模型為理論基礎(chǔ)，圍繞碼垛工作站的造型設(shè)計展開研究。深入挖掘影響用戶操作效率與交互體驗的關(guān)鍵因素，并據(jù)此提出了優(yōu)化后的造型設(shè)計方案，為該理論在工業(yè)產(chǎn)品造型領(lǐng)域的應(yīng)用探索提供了新的思路。但仍存在一定局限性，如樣本調(diào)研數(shù)量有限、實際驗證環(huán)節(jié)有待進(jìn)一步完善等。未來可進(jìn)一步拓展模型參數(shù)在不同場景下的適配性分析，結(jié)合更多實用案例，不斷深化FOGG模型在智能裝備設(shè)計中的系統(tǒng)化應(yīng)用。

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作者簡介：

衛(wèi)緯，上海工程技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院碩士研究生。研究方向：產(chǎn)品造型藝術(shù)及應(yīng)用實踐、高端智能裝備設(shè)計

徐江華，上海工程技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院教授。研究方向：高端航空裝備設(shè)計與飛機(jī)客艙舒適性設(shè)計

實習(xí)編輯：張艷艷